冲压件车间数字化系统研究与开发

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1、研究生学位论文开题报告 冲压件车间数字化系统研究与开发 学 院： 机电工程学院 系 别： 机械工程系 专 业： 机械电子工程 学 号： 40590 研究生姓名： 符天养 导师姓名： 涂海宁 二 零 一 三 年 十 二 月 目 录一、课题来源及意义11.1课题来源11.2课题意义1二、 国内外研究现状12.1 国外数字化制造研究现状12.2 国内数字化研究现状3三、课题研究内容5四、 课题研究方案6五、课题研究分析85.1 创新之处85.2 课题预计难点8六、研究进度安排914 / 17一、课题来源及意义1.1课题来源南昌江铃集团联成汽车零部件有限公司1.2课题意义 随着科学技术飞速发展，汽车制

2、造业竞争越来越激烈，汽车行业发展进入了一个新发展阶段，为满足整车市场激烈竞争，冲压车间生产冲压件也应满足更高要求：冲压车间生产规模越来越大，生产工艺复杂程度也越来越高。因此，建立数字化生产车间，是提高企业综合竞争能力，实现企业利润最大化最重要部分。二、 国内外研究现状2.1 国外数字化制造研究现状数字化制造技术飞速发展，已经深入到了企业生产车间。例如，为了强化企业制造车间执行能力，美国 AMR 公司(Advanced Manufacturing Research，Inc)在 90 年代初提出了制造执行系统 (manufacturing execution system，MES)。将 MES定义

3、为“于上层计划管理系统与底层工业控制之间面向车间层管理信息系统”，制造执行系统为操作人员/管理人员提供计划执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求等)当前状态实时监测功能，有效地实现了企业车间现场实时管控和透明化生产。又如，美国通用汽车公司应用数字制造技术，将轿车开发周期由原来 48个月缩短到了 24 个月，碰撞实验次数由原来几百次降到几十次，应用电子商务技术降低了销售成本 10，从而增强了通用汽车公司产品研发能力和市场营销能力，提升了其市场综合竞争力；美国 Exxon-Mobile 石油公司用先进综合自动化技术后，使企业效益提高了5%-10；美国UGS Tecnomatix公司和达索

4、Delmia公司等长期致力于虚拟制造研究，开发出满足虚拟制造要求数字化车间软件，如车间及生产线规划仿真、工艺规划、质量控制和生产工具等软件模块，可优质地满足不同需求用户。 在机械制造领域，国外各大企业都投入了大量人力、物力和财力对其热门数字化制造技术计算机集成制造系统(CIMS)进行了研究，并出现了不少成功应用案例。比如美国波音公司应用 CIMS 技术成功开发出波音777飞机,使开发周期由过去89年缩短到 4 年半，成本降低了25，实现了从产品设计、工艺编排、产品制造、检测、装配等整个过程一体化“无纸加工”，显著地缩短了产品开发周期，提高了产品质量，增强了企业市场竞争力，充分显示了CIMS优越

5、性。然而，由于CIMS系统涉及企业宏观决策、资源优化、市场运作、资金运营等方面，系统应用比较庞大、复杂，国外相当部分企业还并没有实现真正意义上计算机集成制造，只是从产品设计到制造过程中成功应用了CAD、CAPP、CAM 等单元制造技术或部分集成应用，但也取得了不错效果。著名联合攻击战斗机 JSF 项目通过建立基于协同平台全球化虚拟企业，在飞机制造过程全生命周期中全面采用数字化技术，使飞机设计时间减少 50%，工装减少 90%，总装工装减少95%，零部件数量减少50%，制造周期缩短67%，制造成本降低 50%，使用维护成本降低 50%。通过数字化制造技术应用，联合攻击战斗机 JSF 项目研发与制

6、造周期显著缩短，产品质量得到可靠保障。随着数字化制造技术越来越受企业青睐，一些软件开发公司也推出了层出不穷数字化制造软件产品。如美国参数技术公司(Parametric TechnologyCorporation，PTC公司)是 CAID/CAD/CAE/CAM/PDM 领域最具代表性软件公司。该公司提出单一数据库、参数化、基于特征、全相关性及工程数据再利用等概念改变了传统 MDA 观念，成为 MDA 领域新业界标准；同时公司利用此概念写成第三代产品 Pro/ENGINEER 软件能将设计至生产过程集成在一起，让所有用户同时进行同一产品设计制造工作。 同时，国外一些科研机构也对数字化制造技术进行

7、了系统性探索和研究。譬如，新加坡国立大学机械工程系对生产企业各个部门 (生产评估、制造资源、计划流程、生产调度、车间生产、故障诊断等）在实际生产过程中协调性进行了探索，提出了一种通用分布式协同数字化制造结构；在柔性制造方面，对随机需求下生产调度柔性制造系统作了相关研究；在分布式制造情况下，将遗传算法技术应用于CAPP，实现了在一定目标（比如最小处理时间)下可以获得最优或者接近最优工艺过程。同时在现代集成制造系统中，对集成条件监控和错误诊断进行了研究，提出了一种柔性检测诊断系统，并对产品全生命周期管理中生产计划制定和制造协同进行了深入探索。 匈牙利最高科研机构匈牙利科学院（Hungarian A

8、cademy of Sciences）主要研究信息处理、计算机辅助设计和机器控制应用，研制复杂数字化软、硬件系统。其重点研究领域是：计算机制图、数据库管理、局部网络、过程控制、机器行业计算机辅助设计。目前该研究机构主要集中于：以地区性网络为基础办公室自动化、复杂制造系统分析合成、先进计算机系统与设备研究开发等。此外，国外一些研究学者长期从事数字化方面研究，对数字化制造作了全面新阐释，并提出了具有重要意义观点。如为有效利用数字化制造技术，促进制造企业快速满足客户多样化需求，Monostori，L.教授等人从自适应生产、制造、知识化制造、数字化和网络化制造等四个主要方面进行了研究；Kdr B.教授

9、等人从生产不确定性出发，提出了基于信息智能分析方法，建立了离散事件自动建模仿真系统，达到了现场调度管理控制决策优化；Monostori，Lszl 教授等人则考虑其制造系统操作不确定性，提出了智能制造系统概念，实现了数字企业对当前生产内外部环境快速适应。又如为实现企业车间级自动监测与控制，S.Y.Nof，G.教授等人开发出了具有协调、整合、网络化、分布式决策支持(NDSS)等特点制造系统，解决了生产物流系统自动化控制存在问题；Lszl Monostori 教授对无人操作机床制造系统模式识别和监测问题，以及用于一般目监控系统等进行了探讨，实现了制造系统在线监测系统和模式识别；Djurdjanovi

10、c 则研究开发了基于 WatchDog Agent 远程监视和预测系统，从而实现了通过远程操作对设备监控。再如为提高制造企业市场快速响应能力和生产制造能力，L. Monostori 教授等人结合离散事件系统仿真评估方案鲁棒性特点，提出了一种数字企业生产计划制定和控制优化算法，提高了企业制定计划效率和准确率；Kulvatunyou 等则用语义WEB方式(XML)对制造过程进行描述，实现了制造过程在 Web Service 中发布和理解；Qiu 等人则根据市场动态变化，用虚拟生产线技术动态组织逻辑生产线，增强了企业制造过程灵活性。而为了提高企业生产制造智能性和敏捷性，Lee 利用基于 WEB智能技

11、术，系统性地开发了设计产品和服务智能系统；Koc 建立一个 E-管理框架脚，实现了对产品全生命周期管理；Merat 等则把制造系统分成小柔性制造单元，各个单元由特殊硬件控制，工作单元控制则由实时软件 Vxworks 来完成，提高了制造系统敏捷响应能力。为实现制造资源高度集成和全面共享，Ye 等人通过运用资源描述框架对异构设备进行了语义联接，并建立了一种适用、智能、性价比高车间互联体系，形成了车间(shop foor)制造设备集成架构；Ping等则将遗传算法运用于虚拟制造企业中，实现了从多个制造资源中选择合适制造资源；R.T Qu 将开放式架构、即插即用软硬件技术和分布式控制应用平台(DCAP)

12、应用于先进制造系统中，实现了异构网络中制造资源实时控制。2.2 国内数字化研究现状 随着数字化技术在各国制造行业中不断深入研究与应用，我国很多高校及科研院所也对数字化制造思想、内涵、体系结构等进行了较为广泛研究。 (1) 重庆大学制造工程研究所刘飞等人分析了数字化企业总体框架结构、安全需求，构建了数字化企业完整信息安全体系，包括物理安全、网络安全、支撑层系统安全、应用层系统安全、数据及资料安全；针对数字化企业数据及资料等企业内部信息安全问题，提出了一套包括身份鉴别、设备集中控制、文档权限管理、文档加密、安全审计等功能系统综合解决方案；基于所构建信息安全体系，提出了一种典型数字化企业信息安全实施

13、方案。 （2）合肥工业大学现代集成制造与数控装备研究所（简称CIMS研究所）将数字化与网络化制造作为其重点研究方向之一。王志森、高荣、董伯麟等人进行了基于无线通信技术人机协同车间数字化制造模式、基于无线通信生产现场数字化制造、基于移动通信无线网络在数字化制造单元应用研究；王纯贤、董伯麟等人提出了数字化人概念，进行了基于数字化人车间数字化制造系统、基于数字化人生产现场信息化研究；王志森、王向阳、董伯麟等人进行了数字化制造中人机协同制造网络研究以及人机协同车间数字化制造模式研究；任祖德、苏建徽提出了基于MC68HC908MR16 数字化控制不可断电源系统；郝理想、蒋增强、葛茅根等进行了基于可视化仿

14、真车间设施布局研究。目前，研究所正做为主体单位申报安徽省机电（数控）装备工程技术研究中心。 （3）武汉理工大学对数字化制造进行了深入研究，武汉理工大学湖北省数字制造重点实验室将产品数字化设计制造基础理论及应用技术作为研究重点方向之一，研制了具有自主版权数字化设计制造系统软件及相关工具，开发了数字制造系统建模、虚拟现实和仿真工具；同时，在网络制造和网格制造环境下，建立了基于分布式多层系统架构，研究了如何向制造企业提供面向产品制造（协同拟实制造、远程加工、远程监控等）服务，力图增强制造企业产品数字化设计制造能力和企业内外协作能力，实现企业内外资源整合和优势互补，形成具有竞争力供应链、产业链、增值链

15、。与此同时，该实验室还基于三维 CAD 平台，完成了CAD专家系统、CAPP 系统、多通道信息交互工具集、产品协同管理系统、企业协作支持和信息集成环境等为代表面向制造企业数字化设计制造系列软件及工具，开发并构造了支持企业信息协作平台。目前该实验室正基于移动 Agent、网格计算等相关技术，逐步建立一个可以集成企业各类资源，提供与协同设计及制造相关各类服务和制造资源网络环境数字制造信息与资源共享平台。 （4）华中科技大学“数字化设计与制造”教育部创新团队围绕装备数字化设计、数字化制造、数字制造系统等方向开展了卓有成效研究工作，取得了重要研究成果，部分研究成果在国内工业企业中得到了应用，取得了显著

16、经济和社会效益。数字制造装备与技术国家重点实验室依托华中科技大学，以数字制造基础理论、数字制造装备关键技术、数字制造系统为主要研究领域进行了广泛研究。在网络化制造方面，该团队针对网络化制造中制造设备共享面临 Internet 与生俱来安全威胁，对制造设备网络化共享中信息安全问题进行了研究；对全球数字化制造系统存在一系列问题进行详细分析，总结各种技术困难，并结合从事信息化技术研究和实践经验，从技术角度提出了实现全球数字制造系统参考体系架构；依托国际合作项目“数字化制造与信息系统板料加工流程管理与系统”，将网格技术与制造业中管理技术相结合，通过深入调查汽车配套落料加工企业准时生产模式及实现方式，提

17、出了实现柔性化、精益生产制造网格环境下企业集成技术手段；在理论和方法研究基础上，该创新团队还开发了基于流程管理和信息集成出库管理系统，并获得了初步应用。 （5）哈尔滨工业大学企业智能计算技术研究中心(ICE)致力于制造业数字化、企业与政府数字化计算机应用技术及系统研究，学术带头人为国家 863CIMS 主题专家徐晓飞。主要研究方向有：适合中国国情 CERP 系统、物流与供应链、电子商务与电子政务、虚拟企业集成技术、软件重构与重用技术、数据与知识工程技术等。该中心针对单件小批量产品数字化制造需求，开发了基于主动成本控制中小企业 ERP 管理系统，研究了单件小批生产网络计划/MRP 实现技术进行了

18、初步探索；在多年基础应用研究基础上，中心给出了新一代企业资源管理定义，建立了新一代企业资源管理系统 5 大功能构件标准体系，设计开发了开放式 CIM 集成基础结构 HIT- IIS.2，实现了经营过程控制、企业活动控制、资源管理、定义描述与维护、全局系统信息服务、通信管理以及系统前端接口等功能；同时，该中心还基于 Client/Server 系统结构，提出了多数据库集成器概念与功能结构，提出了一种基于扩展 UML 企业应用软件 PIM 模型和支持可变特性构件模型，有效地提高了企业应用软件建模效率以及企业信息系统柔性和可重构性。 （6）清华大学CIMS中心和其它一些大学研究所也投入到数字化生产线

19、研究中。例如清华大学赵骥等人使用WTK和Agent 方法设计了数字化生产线系统；上海交大邵立等人也利用虚拟现实技术对现有曲轴线进行评价和改造，提高了设备利用率。 数字化制造技术研究不断深入也促进了各类数字化技术在我国制造行业制造关键环节应用，具体表现在以下几个方面： （1）CAD/CAPP/CAE/CAM 推广应用。这些技术已经成为当前制造业发展重要技术特征，是一项重要基础信息技术，其实施对于推动企业发展，促进经济进步都具有十分重要作用。 （2) MRP/ERP 推广应用。随着市场经济体制完善，在政府、企业和科研院所等多方努力下，越来越多企业开始重视并实施 MRPERP。二十多年来，已有上千家

20、企业实施了这种先进管理信息系统，这一技术成功实施使企业都取得了良好收益，其主要体现在：库存减少、资金周转加快、生产周期缩短、资源利用效率提高、成本降低、整体竞争力增强等。 (3) CIMS 推广应用。CIMS 是一项集产品工程设计、制造和管理为一体计算机综合自动化制造系统，是先进生产经营模式实施媒体和技术支撑。从 1987年我国开始实施制造业信息化工程以来，已经在机械、电子、航天、航空、轻工、纺织、石油、化工、冶金等十几个主要制造行业，200 多家不同规模、不同类型企业不同程度地实施了 CIMS 工程，其中已有 60 多家通过了验收。通过 CIMS工程实施，绝大多数制造企业都取得了明显经济效益

21、和社会效益，对我国制造行业企业信息化、现代化起了重要牵引导向作用。 (4) IntraIlet/Extranet 建设方面，近几年来，Intemet 技术飞速发展和迅速普及，使企业 Intranet 和 Extranet 建设得到迅猛发展。我国企业 Intranet/Extranet应用在近年也表现出了良好发展势头，许多企业正在对原有信息系统进行基于Intemet 技术改造或组织建设自己 Intranet/Extranet 平台，企业间可以实现资源共享，大大提高了生产效率，节约了生产成本。三、课题研究内容本课题是以与南昌江铃集团联成汽车零部件有限公司实际需求为基础，制定出一套对冲压生产车间进行

22、可视化和数字化，对参加生产各种对象（实体）进行数字化和量化，并通过数据采集技术，将其动态变化过程采集到数据库中，在此基础上，进行各种管理、分析和数据展现与发布，使管理者能够及时了解生产现场情况和状态，对生产现状进行分析和预测，即时作出调整和处理。具体研究内容如下:（1）数据采集系统a. 采集模型管理：采集设备管理、采集点管理、地址编码和拓扑管理；b. 数据在线采集（生产量、机床冲压次数、模具工作次数、生产实际节拍等）；c. 采集数据管理（产品、产量、机床及模具之间管理）：将采集数据按设计好数据结构（由采集模型定义），写入实时数据库；d. 数据分析及报表：生产数据报表、生产效率分析。 ( 2 )

23、 生产监管系统a. 可视化图元库（生产设备、设备节拍、物流线、现场仓库等）；b. 可视化层次建模（公司、厂区、生产车间、生产线、设备）。 ( 3 ) 生产管理系统a. 基础数据管理：产品管理、工艺管理、设备生产能力管理（主要为节拍）;b. 生产计划管理：生产一般来源于ERP系统，如果没有上ERP系统，可从现有Excell文件导入; c. 生产调度四、 课题研究方案（1） 数据采集：通过数字化传感器和自动化系统，采集模具冲压次数、机床工作次数与运 转台时及设备故障代码等相关数据，对没有数字化传感器和自动化系统设备， 可由人工读取计数器数据录入系统。数据采集原理示意图如下：图1 数据采集原理示意图

24、(2) 生产监管： 通过计算机软件建立可视化图元库（生产设备、设备节拍、物流线、现场仓库等）；和可视化层次建模（公司、厂区、生产车间、生产线、设备）； 及对生产线（生产车间）状态着色及数据标注。下图为PMC样图：图2 生产监管系统（PMC）运行逻辑（3） 生产管理 根据生产计划、生产现场数据等，分析生产现状，对生产计划及生产排成作调整。图3 生产管理系统运行逻辑五、课题研究分析5.1 课题创新之处1. 通过触摸屏、传感器、LED、蜂鸣器广播、显示屏等对整个冲压生产车间实现实时监控。2. 对冲压生产车间建立了生产计划与生产调度信息管理系统，实现了企业信息化。5.2 课题预计难点1. 课题所涉及到

25、是车间数字化在国内外还处于起步阶段，研究尚不成熟，对一个新领域进行研究，需要大量参考资料及外文资料来做课题支撑。2. 课题需要用到数据采集知识、数据分析知识、生产计划与生产调度等，这些知识及技术需要广泛深入了解，难度较大。六、研究进度安排时间课题工作阶段及内容2013年09月2013年11月调研，查阅相关文献资料，确定研究方向和研究方案，准备开题报告。2013年12月2014年04月信息采集，数据分析知识方面学习2014年05月2014年09月 可视化软件，生产调度方面学习2014年10月2014年12月车间数字化系统整体设计2015年01月2015年03月对整个系统进行优化设计2015年03月2015年06月整理研究结果，撰写毕业论文，准备论文答辩